Сварка разнородным трением с перемешиванием - Dissimilar friction stir welding

Сварка разнородным трением с перемешиванием (DFSW) это применение сварка трением с перемешиванием (FSW), изобретенный в Институт сварки (TWI) в 1991 г.,[1] присоединиться к другой базе металлы включая алюминий, медь, стали, титан, магний и другие материалы.[2] Он основан на твердотельном сварка это означает, что нет таяние. DFSW основан на фрикционном высокая температура генерируется простым инструментом для размягчения материалов и их перемешивания с использованием как вращательных, так и поперечных движений инструмента. Вначале он в основном используется для соединения алюминий неблагородные металлы[3] из-за существования затвердевание дефекты присоединения к ним сварка плавлением такие методы как пористость вместе с толстым Интерметаллический соединения.[4] DFSW считается эффективным методом соединения разнородных материалов в последнее десятилетие.[5] У DFSW есть много преимуществ по сравнению с другими методами сварки, включая низкую стоимость, удобство в использовании и простую процедуру эксплуатации, что приводит к огромному использованию сварки трением с перемешиванием для разнородных соединений. Сварочный инструмент, основные материалы, опорная плита (приспособление) и фрезерный станок требуются материалы и оборудование для DFSW. С другой стороны, другие методы сварки, такие как Дуговая сварка защищенного металла (SMAW) обычно требуется высокопрофессиональный оператор, а также довольно дорогое оборудование.

Разнородный стык, сделанный FSW

.

Принцип действия

Механизм DFSW очень прост. Вращающийся инструмент погружается в поверхность раздела основных металлов, и высокая температура вход, создаваемый трением между поверхностью уступа инструмента и верхней поверхностью основных металлов, приводит к размягчению основных материалов. Другими словами, вращательное движение инструмента перемешивает и перемешивает основные металлы и создает размягченную пастообразную смесь. После этого поперечное движение инструмента вдоль поверхности раздела создает соединение. Это приводит к окончательному соединению, сочетающему как механическое, так и металлургическое соединение на границе раздела. Эти два соединения имеют решающее значение для достижения надлежащих механических свойств.[6] Конструкции встык и внахлест являются наиболее распространенными типами соединений при сварке разнородных материалов трением с перемешиванием (DFSW). Точно так же один материал обычно тверже другого. Как правило, твердые и мягкие материалы размещаются на наступающей и отступающей сторонах соответственно во время сварка.[7]

Геометрия инструмента

Конфигурация инструмента

Конфигурация инструмента - важный фактор для достижения надежного соединения. Инструмент состоит из двух частей, включая буртик и штифт, как показано на рисунке ниже. Плечо инструмента генерирует тепло от трения, а штифт инструмента перемешивает размягченные материалы. Для DFSW могут использоваться различные конфигурации штифтов и выступов. «Цилиндрический», «прямоугольный», «треугольный» и «цилиндрический резьбовой» - наиболее распространенные профили штифта инструмента,[8] в то время как "безликий" и "прокручиваемый" являются наиболее распространенными конфигурациями уступа инструмента.[9] Выбор материала инструмента зависит от соединяемых основных материалов. Например, для алюминий /медь суставы[10] горячая работа легированная сталь обычно используется, в то время как для более твердых металлов, таких как титан /алюминий суставы карбид вольфрама обычное дело.[11]

Параметры сварки

Параметры сварки

В DFSW механические свойства в основном включают предел прочности, твердость, предел текучести, удлинение. Выбор оптимальных параметров сварки приводит к достижению надлежащих механических свойств соединения. Скорость вращения инструмента (об / мин), скорость перемещения инструмента (мм / мин), угол наклона инструмента (градусы), смещение инструмента (мм), глубина проникновения инструмента (мм) и геометрия инструмента являются наиболее важными параметрами сварки в DFSW. Центр инструмента обычно располагается по средней линии соединения для подобных соединений, таких как соединения алюминия / алюминия или меди / меди; напротив, в DFSW он сдвинут в сторону более мягких материалов, называемых коррекция инструмента.[12] Это важный фактор для достижения сустава с меньшим дефект сварки и выше механические свойства. Как правило, более твердые и более мягкие материалы помещаются на сторону продвижения (AS) и сторону отступления (RT) соответственно.[13] Независимо от геометрии инструмента, которая играет решающую роль в окончательных механических и металлургических свойствах сварного изделия, влияние скорости вращения инструмента и коррекции инструмента учитывается как наиболее важные параметры сварки во время DFSW.

Производство тепла

Нерасходуемый вращающийся инструмент погружается в поверхность раздела основных материалов. Тепло от трения, исходящее от уступа инструмента во время сварки, пластифицирует исходные материалы, что приводит к локальному Пластическая деформация исходных материалов. Локализованное тепло, выделяемое инструментом, возникает в результате следующего процесса. На начальном этапе он в первую очередь возникает из-за теплоты трения между погружаемым штифтом и основным материалом.[14] Впоследствии это происходит в основном за счет тепла трения между поверхностью заплечика и верхней поверхностью основных металлов, когда заплечик касается верхней поверхности. Затем размягченные материалы перемешиваются вращающимся штифтом, что приводит к твердому соединению. Frigaard et al. показали, что скорость вращения инструмента и диаметр уступа инструмента являются основными факторами тепловыделения.[15]

Материальный поток

Механизм связывания в DFSW основан на двух простых концепциях. Во-первых, перемешиваемые материалы - смесь мягких и твердых металлов. кованый в границу раздела более твердого материала, что приводит к прочному механическому соединению на границе раздела. Кроме того, на границе раздела образуется дополнительная металлургическая связь, улучшающая механические свойства соединения.[16] Поток материалов через DFSW зависит от различных параметров, включая параметры процесса сварки, геометрию инструмента и основные материалы. Геометрия инструмента является наиболее важным фактором в достижении оптимального потока материала.

Дефекты

Появление дефекты сварки в DFSW довольно часто. Дефекты сварки в DFSW включают дефект туннелирования, дефект фрагмента, трещину, пустоту, поверхностную полость или канавки и чрезмерное образование заусенцев.[17] Среди них дефект туннелирования является наиболее распространенным дефектом в DFSW, возникающим из-за неправильного течения материала во время сварки. В основном это связано с неправильным выбором параметров сварки, в частности, скорости сварки, скорости вращения, конструкции инструмента и глубины проплавления инструмента, что приводит либо к ненормальному перемешиванию, либо к недостаточному тепловложению.[18] Еще одним типичным дефектом, наблюдаемым только в DFSW, является образование крупных фрагментов более твердых материалов в матрице более мягких материалов.[19] Как правило, во время DFSW пастообразные материалы ведут себя как композит с металлической матрицей Таким образом, более твердые и мягкие материалы действуют как матрица и арматура соответственно. Фактически, очень важно, чтобы более твердый материал имел относительно небольшой размер, чтобы добиться наилучшего потока материалов. Следовательно, любые факторы, вызывающие образование большого куска более твердого материала, приводят к появлению дефектов фрагментов. Коррекция инструмента и конструкция штифта инструмента были приняты во внимание как наиболее важные факторы, способствующие образованию дефекта фрагмента в DFSW. Они были учтены в нарушении потока материала в результате образования больших кусков более твердого материала в матрице более мягкого материала из-за того, что довольно трудно перемешивать и смешивать пастообразные материалы, когда один из них не является относительно мелким. Кроме того, дефекты фрагментов обычно сопровождаются другими дефектами, такими как пустоты и трещины.

Типичные характеристики

DFSW показывает различные характеристики с точки зрения твердость распределение, предел прочности, микроструктура, формирование интерметаллические соединения а также формирование составной структура в зоне перемешивания. Большинство разнородных соединений, изготовленных методом FSW, демонстрируют аналогичные результаты.

Твердость

Поскольку базовые материалы имеют разные механические свойства, распределение твердости неоднородно, что можно объяснить двумя разными причинами.[20] Во-первых, различные механические свойства основных материалов, включая твердость, вызывают неоднородность сварных соединений. Во-вторых, различная микроструктура и размер зерен зон сварки, включая зону перемешивания, TMAZ и HAZ, приводят к различной твердости. Более того, твердость в зоне наггетсов или перемешиваемой зоне очень неоднородна из-за образования лукового кольца (композитная структура) и IMC. В результате неоднородные стыки демонстрируют неоднородное распределение в зоне наггетсов или зоне перемешивания.[21]

Микроструктура

Четыре различных зоны сварки, включая зону перемешивания (SZ) или зону самородка, зону термомеханического воздействия (TMAZ), Зона термического влияния (HAZ) и основные металлы (BM) обычно наблюдаются в разнородных соединениях, выполненных ЖСБ.[22] Микроструктура сварного шва демонстрирует замечательную измельчение зерна в зоне перемешивания вместе с удлинением зерен в ТМАЗе. Интенсивный Пластическая деформация поднятые действием инструмента, вращательными и поперечными движениями, учитывают заметные измельчение зерна в зоне перемешивания. Кроме того, ЗТВ имеет относительно более крупное зерно, что можно объяснить более низкой скоростью охлаждения по сравнению с другими областями сварки. Некоторые явления типичны при сварке разнородных материалов трением с перемешиванием, включая образование Интерметаллические соединения (IMCs) и появление Композитный -подобная структура (CS) проявляется в различных узорах, в частности в кольцах лука, показанных на рисунке ниже. IMC и CS улучшают механическое поведение суставов в зависимости от их условий, таких как толщина IMC, а также характер распределения композитной структуры. Правильный выбор параметров сварки оптимизирует образование IMC и CS, что приводит к максимальному механические свойства. Как указывалось ранее, скорость вращения, скорость сварки и смещение инструмента вместе со стержнем инструмента являются наиболее важными факторами, влияющими на механические и металлургические свойства во время DFSW. В отличие от обычных сварка плавлением методы, которые сопровождаются существенно толстыми межфазными ИМС,[23] формирование межфазной металлургической связи во время DFSW необходимо для достижения прочного соединения. Тем не менее, он должен быть в оптимальном состоянии для улучшения и улучшения механических свойств, то есть он должен быть тонким, однородным и неоднородным.[24]

IMC

IMC - еще одно типичное явление в DFSW. Существовали некоторые критерии для IMC для достижения надежного соединения, включая толщину, однородность и непрерывность.[25] Самый распространенный тип IMC появился в алюминий /медь стык: Al4Cu9, Al2Cu3, Al2Cu.[26] Граница раздела и окружающий край частиц, рассеянных в зоне самородка, являются двумя основными местами образования ИМС. Аналогичным образом, в зависимости от размера частиц более твердого материала, которые диспергированы в матрице более мягкого материала, крупные частицы частично трансформируются в ИМС, в основном вокруг внешнего края частиц, в то время как мелкие частицы полностью превращаются в ИМС. Стоит отметить, что средняя толщина IMC составляет менее 2 микрометров. Следовательно, частицы размером менее 2 микрометров полностью превращаются в ИМС, что приводит к увеличению механические свойства зоны самородков.

Предел прочности

Образец на растяжение

Еще одна важная характеристика DFSW - финальный предел прочности. Большинство разнородных сварных деталей демонстрируют аналогичную тенденцию в отношении прочности на разрыв. В DFSW есть два разных материала. Один мягче другого. Например, в соединении алюминия с медью алюминий мягче меди. Какова будет прочность соединения на разрыв? Это больше, чем оба? Это меньше, чем у обоих? Что требуется для прочного соединения? Ответ заключается в том, что прочность на разрыв соединений в DFSW составляет долю от прочности на разрыв более мягкого материала. Следовательно, конечная прочность на разрыв сварных деталей обычно меньше, чем прочность на разрыв обоих материалов, однако, чтобы быть приемлемой в промышленности, она обычно составляет более 70 процентов от прочности на разрыв более мягкого материала.[27] Перелом поведение образцов на растяжение показывает, что большинство соединений вышли из строя на границе раздела вместе с хрупкое разрушение. Это можно отнести к IMC, разработанным на интерфейсе. Хотя он мог успешно улучшить предел прочности на разрыв, но образцы показали хрупкое разрушение что является одной из существующих проблем в разнородных соединениях, изготовленных FSW.

Формирование композитной структуры

Композитная структура в виде узора луковых колец

Из-за того, что в DFSW два разных материала; формирование составной структура в зоне самородков неизбежна. Обычно он появляется при формировании лукового кольца в зоне наггетсов или в зоне перемешивания более мягкой матрицы, как показано на рисунке ниже. То есть мелкие частицы материала на продвигающейся стороне (более твердый материал) рассеиваются по всей зоне перемешивания отступающего материала (более мягкий материал). Это основная причина неоднородного распределения жесткости в зоне перемешивания.[28][29][30]

Испытание

FSW может быть эффективным методом, который можно использовать для соединения разнородных материалов и результата с точки зрения предел прочности, прочность на сдвиг, и твердость распространение являются многообещающими. Однако большая часть стыков сломалась на границе раздела.[31] Более того, даже те, которые были разорваны в основных металлах, показали хрупкий поведение т.е. низкий удлинение что можно отнести к образованию ИМС. Должен быть баланс между предел прочности и пластичность сварных соединений, чтобы безопасно использовать разнородные сварные детали в промышленности. Другими словами, собственно пластичность и стойкость требуются для некоторых промышленных применений, поскольку они должны обладать надлежащим сопротивлением влияние и шок загрузка. Большинство сварных конструкций недостаточно прочны для использования в таких случаях. Поэтому стоит сосредоточить текущие и будущие работы на улучшении стойкость сварных конструкций с сохранением предел прочности в надлежащей стоимости.

Рекомендации

  1. ^ Томас, ВМ; Николай, ED; Needham, JC; Марч, MG; Темпл-Смит, П.; Доус, CJ. Стыковая сварка трением с перемешиванием, Патент Великобритании № 9125978.8, Международная заявка на патент № PCT / GB92 / 02203, (1991)
  2. ^ Шейх-Ахмад, J.Y .; Али, Дима С .; Девечи, Сулейман; Альмаскари, Фахад; Джаррар, Фирас (февраль 2019 г.). «Сварка трением с перемешиванием полиэтилена высокой плотности - композит технического углерода». Журнал технологий обработки материалов. 264: 402–413. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2018.09.033.
  3. ^ Mishra, R.S .; Ма, З.Я. (Август 2005 г.). «Сварка трением и обработка с перемешиванием». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты. 50 (1–2): 1–78. Дои:10.1016 / j.mser.2005.07.001.
  4. ^ Кахраман, Низаметтин; Гюленч, Бехчет; Финдик, Фехим (ноябрь 2005 г.). «Соединение титана и нержавеющей стали сваркой взрывом и воздействие на границу раздела». Журнал технологий обработки материалов. 169 (2): 127–133. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2005.06.045.
  5. ^ Mehta, Kush P .; Бадека, Вишвеш Дж. (23 марта 2015 г.). «Обзор разнородной сварки трением с перемешиванием меди с алюминием: процесс, свойства и варианты». Материалы и производственные процессы. 31 (3): 233–254. Дои:10.1080/10426914.2015.1025971. ISSN  1042-6914.
  6. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  7. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  8. ^ MEHTA, Kush P .; БАДХЕКА, Вишвеш Дж. (Январь 2017 г.). «Влияние конструкции резца на свойства разнородной меди и алюминия при сварке трением с перемешиванием». Сделки Общества цветных металлов Китая. 27 (1): 36–54. Дои:10.1016 / S1003-6326 (17) 60005-0.
  9. ^ «Предварительный просмотр Scopus - Scopus - Добро пожаловать в Scopus». www.scopus.com.
  10. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  11. ^ Chen, Y.C .; Наката, К. (март 2009 г.). «Микроструктурные характеристики и механические свойства при сварке трением с перемешиванием алюминия и разнородных сплавов титана». Материалы и дизайн. 30 (3): 469–474. Дои:10.1016 / j.matdes.2008.06.008.
  12. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  13. ^ Esmaeili, A .; Zareie Rajani, H.R .; Шарбати, М .; Гиви, М. Бешарати; Шаманян, М. (ноябрь 2011 г.). «Влияние скорости вращения на образование интерметаллических соединений и механическое поведение пары латуни и алюминия 1050, сваренной трением с перемешиванием». Интерметаллиды. 19 (11): 1711–1719. Дои:10.1016 / j.intermet.2011.07.006.
  14. ^ Esmaeili, A .; Бешарати Гиви, М.К .; Зарей Раджани, Х. Р. (декабрь 2012 г.). «Экспериментальное исследование течения материала и дефектов сварки при сварке алюминия с латуни трением с перемешиванием». Материалы и производственные процессы. 27 (12): 1402–1408. Дои:10.1080/10426914.2012.663239.
  15. ^ Frigaard, Ø .; Grong, Ø .; Мидлинг, О. Т. (май 2001 г.). «Модель процесса сварки трением с перемешиванием упрочняющихся алюминиевых сплавов». Металлургические операции и операции с материалами A. 32 (5): 1189–1200. Дои:10.1007 / s11661-001-0128-4. ISSN  1073-5623.
  16. ^ Esmaeili, A .; Бешарати Гиви, М.К .; Зарей Раджани, Х. Р. (декабрь 2012 г.). «Экспериментальное исследование течения материала и дефектов сварки при сварке алюминия с латуни трением с перемешиванием». Материалы и производственные процессы. 27 (12): 1402–1408. Дои:10.1080/10426914.2012.663239.
  17. ^ Эсмаили, А; Гиви, М. К. Бешарати; Раджани, Х. Р. Зарей (12 ноября 2013 г.). «Исследование дефектов сварных швов при сварке разнородных материалов трением с перемешиванием алюминия и латуни методом радиографии». Наука и технология сварки и соединения. 17 (7): 539–543. Дои:10.1179 / 1362171812Y.0000000044.
  18. ^ Kim, Y.G .; Fujii, H .; Цумура, Т .; Komazaki, T .; Наката, К. (январь 2006 г.). «Три типа дефектов при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава для литья под давлением». Материаловедение и инженерия: A. 415 (1–2): 250–254. Дои:10.1016 / j.msea.2005.09.072.
  19. ^ BHATTACHARYA, T.K .; БРОСАТЬСЯ.; ПАЛ, Т.К. (Сентябрь 2015 г.). «Влияние параметров сварки на течение материала, механические свойства и интерметаллические характеристики сварного трением разнородного стыкового соединения меди AA6063 с перемешиванием и HCP без смещения». Сделки Общества цветных металлов Китая. 25 (9): 2833–2846. Дои:10.1016 / S1003-6326 (15) 63909-7.
  20. ^ Герлих, А .; Как дела.; Норт, Т. Х. (4 декабря 2013 г.). «Пиковые температуры и микроструктуры в точечной сварке трением алюминия и магниевого сплава с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения. 10 (6): 647–652. Дои:10,1179 / 174329305X48383.
  21. ^ Xue, P .; Xiao, B.L .; Ni, D.R .; Ма, З.Я. (Август 2010 г.). «Повышение механических свойств сварного трением разнородного соединения Al – Cu с перемешиванием интерметаллическими соединениями». Материаловедение и инженерия: A. 527 (21–22): 5723–5727. Дои:10.1016 / j.msea.2010.05.061.
  22. ^ Yazdipour, A .; Хайдарзаде, А. (сентябрь 2016 г.). «Влияние сварки трением с перемешиванием на микроструктуру и механические свойства разнородных соединений из сплавов нержавеющей стали Al 5083-H321 и 316L». Журнал сплавов и соединений. 680: 595–603. Дои:10.1016 / j.jallcom.2016.03.307.
  23. ^ Лю, Лиминг; Рен, Даксин; Лю, Фэй (8 мая 2014 г.). «Обзор разнородных методов сварки магниевых сплавов с алюминиевыми сплавами». Материалы. 7 (5): 3735–3757. Дои:10.3390 / ma7053735. ЧВК  5453224. PMID  28788646.
  24. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  25. ^ Xue, P .; Ni, D.R .; Wang, D .; Xiao, B.L .; Ма, З.Я. (Май 2011 г.). «Влияние параметров сварки трением с перемешиванием на микроструктуру и механические свойства разнородных соединений Al – Cu». Материаловедение и инженерия: A. 528 (13–14): 4683–4689. Дои:10.1016 / j.msea.2011.02.067.
  26. ^ Esmaeili, A .; Гиви, М. Бешарати; Раджани, Х.Р. Зарей (август 2011 г.). «Металлургическое и механическое исследование разнородной сварки трением с перемешиванием алюминия 1050 и латуни (CuZn30)». Материаловедение и инженерия: A. 528 (22–23): 7093–7102. Дои:10.1016 / j.msea.2011.06.004.
  27. ^ Mehta, Kush P .; Бадека, Вишвеш Дж. (23 марта 2015 г.). «Обзор разнородной сварки трением с перемешиванием меди с алюминием: процесс, свойства и варианты». Материалы и производственные процессы. 31 (3): 233–254. Дои:10.1080/10426914.2015.1025971.
  28. ^ Узун, Хусейн; Далле Донн, Клаудио; Арганьотто, Альберто; Гидини, Томмас; Гамбаро, Карла (февраль 2005 г.). «Сварка трением разнородных нержавеющих сталей Al 6013-T4 и X5CrNi18-10 с перемешиванием». Материалы и дизайн. 26 (1): 41–46. Дои:10.1016 / j.matdes.2004.04.002.
  29. ^ Zareie Rajani, H.R .; Esmaeili, A .; Mohammadi, M .; Шарбати, М .; Гиви, М. К. Б. (21 февраля 2012 г.). «Роль развития композитов металл-матрица при сварке трением алюминия с латуни с перемешиванием в характеристиках сварных швов». Журнал материаловедения и производительности. 21 (11): 2429–2437. Дои:10.1007 / s11665-012-0178-3.
  30. ^ Мехта, Куш П. (январь 2019 г.). «Обзор фрикционного соединения разнородных соединений алюминия и стали». Журнал материаловедения. 34: 78–96. Дои:10.1557 / jmr.2018.332. ISSN  0884-2914.
  31. ^ Ши, Хуэй; Чен, Кэ; Лян, Чжиюань; Донг, Фэнбо; Ю, Тайу; Дун, Сяньпин; Чжан, Лантинг; Шань, Айданг (апрель 2017 г.). «Интерметаллические соединения в полосовой структуре и их влияние на механические свойства Al / Mg разнородных сварных соединений трением с перемешиванием». Журнал материаловедения и технологий. 33 (4): 359–366. Дои:10.1016 / j.jmst.2016.05.006.